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摘 要

我国燃煤机组普遍进行了低氮燃烧器造的燃煤机组，炉膛内部由于缺氧燃烧，形成强还原性气氛，造成水冷壁高温热腐蚀，严重影响电厂经济运行和设备安全。本文针对某超临界旋流对冲锅炉，利用Fluent软件该锅炉的不同工况进行不同工况的数值模拟，分析发生高温热腐蚀的区域，确定最佳一、二次风配比，从而实现燃烧优化的目的。

在网格划分工作中，本文炉膛的网格采用ICEM软件生成了包含结构化和非结构化网格的混合型网格，网格数量约为150万。

在数值模拟工作中，本文首先用Fluent软件模拟了该炉膛燃烧工况，对炉膛内部速度场、温度场、氧气浓度分布、H₂S浓度分布和NO浓度分布进行了详细的分析。结果显示燃烧器附近的壁面H₂S浓度较高，推测此处发生高温热腐蚀。本文在之后进行变工况研究，改变一、二次风的配比，分析其对锅炉燃烧、高温热腐蚀和NO排放量的影响，从而确定最佳配比为1：2.3左右。

关键词：超临界锅炉；旋流对冲锅炉；数值模拟；高温热腐蚀；一二次风配比.

ABSTRACT

China's coal burning units are generally built with low nitrogen burners. Due to the lack of oxygen combustion inside the furnace, strong reducing atmosphere is formed, resulting in high temperature thermal corrosion of the water wall, which seriously affects the economic operation of the power plant and equipment safety. In this paper, aiming at a supercritical circumfluence boiler, Fluent software was used to carry out numerical simulation of different working conditions of the boiler in different working conditions, analyze the area where high-temperature thermal corrosion occurs, and determine the optimal ratio of primary and secondary air, so as to achieve the purpose of combustion optimization.

In the work of meshing, the mixed meshes including structured meshes and unstructured meshes are generated by ICEM software in the furnace, and the number of meshes is about 1.5 million

In the work of numerical simulation, Fluent software was firstly used to simulate the 100%BMCR working condition of the furnace, and the velocity field, temperature field, oxygen concentration distribution, H₂S concentration distribution and NO concentration distribution in the furnace were analyzed in detail. The results show that the concentration of H₂S near the wall surface of the burner is high, suggesting that high-temperature thermal corrosion occurred there. In this paper, variable working conditions were studied to change the ratio of primary and secondary air and analyze its influence on boiler combustion, high-temperature thermal corrosion and NO emission, so as to determine the optimal ratio of 1:2.3 or so.

Keywords: supercritical boiler; cyclone hedge boiler; numerical simulation; high temperature thermal corrosion; primary and secondary air ratio.

目 录

摘 要 3

ABSTRACT 4

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 高温腐蚀研究现状 2

1.2.1 高温腐蚀类型 2

1.2.2 高温热腐蚀影响因素 3

1.3 数值模拟炉膛燃烧研究现状 3

1.4 ICEM软件简介 4

1.5 Fluent软件简介 5

1.6 本文主要工作 5

第二章 炉膛内数值模拟方法及相关数学模型 6

2.1 基本方程 6

2.2 湍流模型 7

2.3 煤粉颗粒运动模型 7

2.4 气相燃烧模型 8

2.4.1 混合分数-概率密度函数模型 8

2.4.2 湍流化学反应的概率密度函数模型 9

2.5 煤粉燃烧模型 9

2.6 辐射换热模型 10

2.7 NO_x生成模型 11

第三章 几何模型及网格划分 12

3.1 锅炉简介 12

3.1.1 炉膛基本参数 12

3.1.2 煤质分析 13

3.1.3 炉膛结构简化 14

3.1.4 炉膛简化后结构 14

3.2 网格划分 16

3.3 Fluent边界条件设置 18

3.3.1 入口边界条件 18

3.3.2 出口边界条件 19

3.3.3 壁面边界条件 19

3.3.4 离散相边界条件 19

3.4 本章小结 20

第四章 各工况数值模拟结果与分析 21

4.1 100%BMCR工况模拟 22

4.1.1 流场分布 22

4.1.2 温度场 27

4.1.3 氧气、CO、H₂S浓度场分布 31

4.1.4 NO浓度分布 37

4.2 变工况研究 37

4.2.1 温度场 38

4.2.2 氧气、CO、H₂S浓度分布 40

4.2.3 NO浓度分布 45

第五章 综合分析及展望 47

5.1 高温热腐蚀区域 47

5.2 最佳一、二次风配比 47

5.3 误差分析与反思 47

5.4 展望 48

参考文献 49

致 谢 51

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

我国是以煤炭为主要一次能源的国家，拥有丰富的煤炭资源。煤炭资源的预测总储量约为55700亿吨，其中已证实储量约为10200亿吨。图1-1为我国今年煤炭消费量和煤炭一次能源占比（国家统计局2018）。从图1-1中可知，虽然煤炭在我国能源消费中占比逐年下降，但其绝对消耗量却逐年上升，煤炭在相当远的时间内，仍将处于我国一次能源的不可替代的首位^[1]。

近年来，我国大量消耗煤炭带来的问题越发严重。一方面，随着国民生活水平的提高，我国环境形势问题日益被重视。我国煤炭耗量的55%用于电力行业。虽然现在我国燃煤锅炉技术取得巨大进步，和以前相比，排放废气的有害物质大大减小，但总量仍旧十分巨大。据估计，全国范围内投入运行的工业燃煤锅炉超过50万台, 煤炭消费量占到全国煤炭消费总量的20%^[2]。这些燃煤工业锅炉排放大量大气污染物（主要为SO₂，氮氧化物，PM2.5等），对大气产生了尤为严重的污染。

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